[論文レビュー] A propeller model for the sub-luminous disk state of the transitional millisecond pulsar PSR J1023+0038

Alessandro Papitto, D. F. Torres|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、遷移的ミリ秒パulsar PSR J1023+0038 の準低光度円盤状態が、磁気圏が急速に回転する中で降着物質の大部分を排出するプロペラメカニズムによって駆動されていると提案する。この境界層では、乱流が発生し、電子がGeVエネルギーまで加速される。この領域からのシンクロtron放射および自己シンクロtronコンプトン放射に加え、硬いX線円盤放射が組み合わされ、観測されたX線およびガンマ線スペクトルをよく再現する。降着率は1–3×10⁻¹¹ M⊙ yr⁻¹、内側円盤半径は30–45 kmである。

ABSTRACT

The discovery of millisecond pulsars switching between states powered either by the rotation of their magnetic field or by the accretion of matter, has recently proved the tight link shared by millisecond radio pulsars and neutron stars in low-mass X-ray binaries. Transitional millisecond pulsars also show an enigmatic intermediate state in which the neutron star is surrounded by an accretion disk, it emits coherent X-ray pulsations, but is sub-luminous in X-rays with respect to accreting neutron stars, and is brighter in gamma-rays than millisecond pulsars in the rotation-powered state. Here, we model the X-ray and gamma-ray emission observed from PSR J1023+0038 in such a state based on the assumption that most of the disk in-flow is propelled away by the rapidly rotating neutron star magnetosphere, and that electrons can be accelerated to energies of a few GeV at the turbulent disk-magnetosphere boundary. We show that the synchrotron and self-synchrotron Compton emission coming from such a region, together with the hard disk emission typical of low states of accreting compact objects, is able to explain the radiation observed in the X-ray and gamma-ray band. The average emission observed from PSR J1023+0038 is modelled by a disk in-flow with a rate of $(1-3) imes10^{-11} M_{\odot}/yr$, truncated at a radius ranging between 30 and 45 km, compatible with the hypothesis of a propelling magnetosphere. We compare the results we obtained with models that rather assume that a rotation-powered pulsar is turned on, showing how the spin down power released in similar scenarios is hardly able to account for the magnitude of the observed emission.

研究の動機と目的

• PSR J1023+0038 が中間的で円盤を有する状態にある際の準低光度X線放射および強化されたガンマ線放射を説明すること。
• 回転駆動パulsar の低い回転減速パワーと、観測された高いガンマ線輝度（約10³⁴ erg s⁻¹）との間の矛盾を解消すること。
• 急速に回転する中性子星が降着物質を排出するプロペラメカニズムが、観測された放射特性を説明できるかどうかを検証すること。
• 状態遷移期における一時的で電波パルス活動を伴う他の解釈とは区別すること。

提案手法

• 強い磁場とプラズマ不安定性によってGeVエネルギーまで加速された電子が存在する、乱流的な円盤-磁気圏境界層からの放射をモデル化する。
• パワーローのエネルギー分布を仮定し、境界層内の相対論的電子からのシンクロtron放射および自己シンクロtronコンプトン（SSC）放射を計算する。
• 低輝度降着状態に特徴的な硬いX線成分を組み込み、光子指数Γ ≈ 1.5で100 keV未満にカットオフがないパワーロースペクトルを用いる。
• 円盤流入率を1–3×10⁻¹¹ M⊙ yr⁻¹とし、中性子星から30–45 kmの距離で切り詰めることで、観測されたスペクトルエネルギー分布（SED）にフィットする。
• プロペラモデルのエネルギー収支を回転駆動パルサーのシナリオと比較し、後者では観測されたガンマ線輝度を説明できないことを示す。
• 粘性時標高の議論を用いて、10–50 s のX線変動を質量流入率の変動および対応する内側円盤半径の変化によるものと解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プロペラメカニズムは、PSR J1023+0038 の中間状態における準低光度X線放射および強化されたガンマ線放射を説明できるか？
• RQ2 プロペラモデル下で観測されたSEDを再現するには、どの程度の降着率と内側円盤半径が必要か？
• RQ3 観測されたガンマ線輝度（約10³⁴ erg s⁻¹）は、回転駆動パルサーの回転減速パワーと整合するか？
• RQ4 10–50 s 時標高でのX線輝度変動は、プロペラ状態における降着ダイナミクスとどのように関係しているか？
• RQ5 電波放射とガンマ線放射は、同一の放射領域またはメカニズムによって一貫して説明可能か？

主な発見

• PSR J1023+0038 の観測されたX線およびガンマ線SEDは、乱流的な円盤-磁気圏境界層からのシンクロtron放射および自己シンクロtronコンプトン放射の組み合わせによってよく再現される。
• 必要な降着率は1–3×10⁻¹¹ M⊙ yr⁻¹、円盤は30–45 kmで切り詰められており、磁気圏プロペラ状態と整合的である。
• ガンマ線輝度（約10³⁴ erg s⁻¹）は、回転駆動パルサーでは説明できない。これは、回転減速パワーの90％をガンマ線に変換する必要があるためである。
• 10–50 s 時標高でのX線変動は、質量流入率の粘性時標高の変動およびそれに伴う内側円盤半径の変化によって自然に説明できる。
• 電波放射は広がった、光学的に薄いジェットによって発生している可能性が高く、高エネルギー放射は磁気圏境界付近のコンactで自己吸収された領域から来ている。
• プロペラモデルは、降着円盤、X線パルス、低X線輝度、および高ガンマ線出力の同時存在を一貫して説明できる。